DE4011729A1 - POSITION SENSOR - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Meßsystem gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a measuring system according to the preamble of claim 1.
Es ist bekannt (DE-PS 35 25 199), ein Weg-Meßsystem mit einem induktiven Geber aufzubauen.It is known (DE-PS 35 25 199), a path measuring system with to build an inductive encoder.
Zu diesem Zweck sitzt ein als Konus ausgebildetes Meßelement in einer Meß- oder Ringspule, wobei unter einer Relativbewegung der Meßinduktivität und des Meßelements eine Änderung der Luftspalte eintritt, wodurch der Induktivitätswert der Meßinduktivität verändert wird.For this purpose, a measuring element designed as a cone is seated in a measuring or ring coil, with a relative movement the measuring inductance and the measuring element Change in air gaps occurs, reducing the inductance value the measuring inductance is changed.
Hierbei wirkt sich das als Konus ausgebildete Meßelement nachteilig aus, da es rotationssymmetrisch ist und an einem Weggeber angebracht werden muß und somit eine Massenerhöhung hervorruft.The measuring element designed as a cone acts here disadvantageous because it is rotationally symmetrical and on one Encoders must be attached and thus a mass increase evokes.
Die rotationssymmetrische Ausbildung des Meßelements ist auch konstruktiv hinderlich.The rotationally symmetrical design of the measuring element is also a constructive hindrance.
Die Linearität des Meßsystems hängt außerdem von der Wicklungsart der verwendeten Spulen ab.The linearity of the measuring system also depends on the type of winding of the coils used.
Die in der oben genannten Patentschrift dargestellte Auswertschaltung ist aufwendig aufgebaut, so daß eine kompakte Einheit aus Meßwertaufnehmer und Auswertschaltung kaum möglich erscheint. Außerdem arbeitet die Auswerteschaltung mit hohen Frequenzen, die entweder gestört werden können oder selber eine Beeinflussung anderer Signale hervorrufen können. Die Auswertschaltung arbeitet überwiegend hochohmig, so daß eine Beeinflussung des Meßsignals durch die oft hohen Störungen, insbesondere im Motorkabelbaum, nur schwer auszuschließen ist.The evaluation circuit shown in the above patent is complex, so that a compact Hardly any unit consisting of transducer and evaluation circuit appears possible. The evaluation circuit also works with high frequencies that can either be disturbed or cause other signals to be affected can. The evaluation circuit mainly works with high resistance, so that the measurement signal is influenced by the often high interference, especially in the engine wiring harness, only is difficult to rule out.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Meßsystem bereitzustellen, daß die oben aufgeführten Nachteile vermeidet, und daß keine Beeinflussung der mechanischen Bewegung des Meßobjekts verursacht.The present invention is based on the object Measuring system provide that the disadvantages listed above avoids, and that no influence on the mechanical Movement of the test object causes.
Diese Aufgabe der Erfindung wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst und durch weitere Ausgestaltungen, die in den Ansprüchen 2 bis 4 dargelegt sind, ergänzt.This object of the invention is achieved by the characterizing Features of claim 1 solved and by further configurations, which are set out in claims 2 to 4, added.
Die Positionsmessung eines Meßobjekts erfolgt mit einem induktiven Positionsaufnehmer nach dem Prinzip der Änderung der transformatorischen Kopplung, wobei ein Teil eines Kerns einen metallischen Wirbelstromschirm des induktiven Positionsaufnehmers bildet.The position measurement of a measurement object is carried out with an inductive one Position sensor according to the principle of change the transformer coupling, part of a Core a metallic eddy current shield of the inductive Position sensor forms.
Dies hat folgende Vorteile:This has the following advantages:
- - keine Beeinflussung der mechanischen Bewegung des Meßobjekts,- No influence on the mechanical movement of the Target,
- - Gewichtsersparnis durch eine besondere Ausformung in dem Meßobjekt,- Weight saving through a special shape in the measurement object,
- - berührungslose Positionserfassung,- contactless position detection,
- - niederohmige und dadurch störsichere Meßwertausmessung.- Low-resistance and therefore interference-free measurement measurement.
Erfindungsgemäß sind eine primäre und eine sekundäre Spule auf je einem Schenkel, die sich gegenüberliegen, eines magnetischen Kreises angebracht, um einen einfachen Meßaufbau zu realisieren.According to the invention there are a primary and a secondary coil on one leg that is opposite each other, a magnetic one Circle attached to a simple measurement setup to realize.
Die primäre Spule wird von einem Generator, bspw. einem Wechselspannungsgenerator, erregt, während an der sekundären Spule der Abgriff eines Meßsignals erfolgt.The primary coil is a generator, for example AC generator, energized while on the secondary Coil of the tap of a measurement signal takes place.
Der magnetische Kreis ist durch einen oder zwei Luftspalte unterbrochen, so daß die Möglichkeit gegeben ist, den magnetischen Fluß so zu beeinflussen, daß sich ein funktionaler Zusammenhang des Meßsignals, das an der sekundären Spule abgeriffen wird, zur Position des metallischen Wirbelstromschirmes ergibt. Dabei ist die Linerarität des Übertragungsverhaltens nicht von der Wicklungsart der verwendeten Spulen abhängig.The magnetic circuit is through one or two air gaps interrupted, so that the possibility is given to the to influence magnetic flux so that there is a functional Relationship of the measurement signal, which at the secondary Coil is tapped to the position of the metallic eddy current shield results. The linearity of the Transmission behavior does not depend on the type of winding used Coils dependent.
Durch eine Vertiefung und/oder durch eine konusartige Ausformung, die in dem Meßobjekt eingebracht ist, verlängert sich die Meßstrecke um die Länge der Vertiefung bzw. der konusartigen Ausformung.Through a depression and / or through a conical shape, which is introduced into the measurement object, extended the measuring distance by the length of the depression or conical shape.
Die konusartige Ausformung besteht aus einem Rechteck mit einem auf die bekliebige Seite des Rechtecks aufgesetzten Dreiecks.The conical shape consists of a rectangle with one placed on the other side of the rectangle Triangular.
Länge, Breite und Höhe der konusartigen Ausformung sind frei wählbar in bezug auf eine optimale Ausgangslinearität und die räumliche und fertigungstechnische Handhabbarkeit.Length, width and height of the conical shape are freely selectable with regard to an optimal output linearity and the spatial and production engineering manageability.
Möglich sind auch Rechteck- und Dreieckformen, mit einfallenden bzw. ausbeulenden Seitenlinien, z. B. Trapezformen oder sphärische Dreiecke. Bei der Verwendung von Rechteckformen ergibt sich für Ausgangssignal in einem weiten Bereich ein linearer Verlauf der Ausgangsspannung zur Wegstrecke. Dadurch kann die Meßstrecke beliebig lang werden. Rectangular and triangular shapes are also possible, with incident ones or bulging side lines, e.g. B. trapezoidal shapes or spherical triangles. When using rectangular shapes results for output signal in a wide range a linear course of the output voltage to the distance. As a result, the measuring section can be of any length.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die Schenkel des magnetischen Kreises in Bewegungsrichtung des Meßobjektes etwa so lang wie die Meßstrecke ausgeführt.In a particularly advantageous embodiment of the invention become the legs of the magnetic circuit in the direction of movement of the measurement object is approximately as long as the measurement section executed.
In Weiterbildung der Erfindung erfolgt die Erzeugung eines magnetischen Wechselflusses in der primären Spule vorzugsweise mit dem Wechselspannungsgenerator mit einem konstanten Innenwiderstand, so daß immer eine konstante Spannung am Ausgang des Wechselspannungsgenerators zur Verfügung steht.In a further development of the invention, a magnetic alternating flux in the primary coil preferably with the AC voltage generator with a constant Internal resistance, so that always a constant voltage available at the output of the AC voltage generator stands.
Der magnetische Wechselfluß wird über den metallischen Wirbelstromschirm über einen oder zwei Luftspalte zu der sekundären Spule, der Meßspule, geleitet.The alternating magnetic flux is above the metallic Eddy current shield over one or two air gaps to the secondary coil, the measuring coil.
Der Meßwiderstand einer nachgeschalteten Meßschaltung belastet die Meßspule derart, daß sich die Flußverteilung aufgrund der Wirkströme in den beiden Spulen so ergibt, daß die Bewegung des Kerns im Luftspalt in Richtung von einer der beiden Spulen (entspricht der in Fig. 4 gezeigten x-Richtung) eine minimale Änderung des Meßsignals verursacht, jedoch eine Bewegung des Kerns an den Spulen vorbei (entspricht der in Fig. 4 gezeigten y-Richtung) die eigentliche Meßbeeinflussung hervorruft.The measuring resistor of a downstream measuring circuit loads the measuring coil in such a way that the flux distribution due to the active currents in the two coils is such that the movement of the core in the air gap in the direction of one of the two coils (corresponds to the x direction shown in FIG. 4) causes a minimal change in the measurement signal, but a movement of the core past the coils (corresponds to the y direction shown in FIG. 4) causes the actual measurement to be influenced.
Die konstruktive Festlegung der Luftspalte zwischen dem Flußleitmittel des magnetischen Kreises un des Kerns erfolgt unter den gleichen Gesichtspunkten.The constructive determination of the air gaps between the Flux conduction of the magnetic circuit and the core takes place from the same point of view.
Die Kurvenform der speisenden Wechselspannung kann beliebig gewählt werden, so lange diese stetig, periodisch und von konstanter Amplitude ist.The curve shape of the supplying alternating voltage can be arbitrary as long as they are continuous, periodic and is of constant amplitude.
Ein Gleichstrom, von einer Gleichstromquelle geliefert, durch eine der beiden Spulen kann auf das Meßobjekt, wenn es aus ferromagnetischem Material besteht, eine definierbare Kraft ausüben. So kann eine eindeutig definierte Lage (z. B. Mitte) im Luftspalt gefunden werden. Gleichzeitig kann das Meßobjekt mit dieser Kraft in Richtung eines "Bremsklotzes" oder in Richtung der Oberfläche eines Mittelschenkels bewegt werden und auf diesen gedrückt oder gezogen werden, so daß sich eine Bremswirkung ergibt, die ein mögliches Schwingen (bspw. "Reglersägen") des Kerns, bzw. der Regelstange, verhindert.A direct current, supplied by a direct current source, through one of the two coils can on the test object, if it is made of ferromagnetic material, a definable one Exercise strength. So can be a clearly defined location (e.g. middle) can be found in the air gap. At the same time can the test object with this force in the direction of a "Brake pad" or towards the surface of a middle leg can be moved and pressed on it or are pulled so that there is a braking effect, the a possible swinging (e.g. "regulator saws") of the core, or the control rod prevented.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung ist auf den Schenkeln des magnetischen Kreises eine dritte Spule angeordnet. Diese Spule wird zur Kompensation von Querempfindlichkeiten verwendet. Eine Anordnung von mehr als drei Spulen auf den Schenkeln des magnetischen Kreises ist durchaus denkbar.In a further embodiment of the invention, the Legs of the magnetic circuit arranged a third coil. This coil is used to compensate for cross-sensitivities used. An arrangement of more than three Coils on the legs of the magnetic circuit quite conceivable.
Die nachfolgende Zeichnungsbeschreibung beinhaltet weitere erfindungsgemäße Ausgestaltungen der Erfindungen, die in den Figuren dargestellt sind, wobei es sich in der Zeichnungsbeschreibung bei dem Meßobjekt um die Regelstange einer Einspritzanlage einer Brennkraftmaschine handelt.The following description of the drawing contains more Embodiments of the inventions according to the invention, in the figures are shown, it being in the description of the drawing in the case of the measuring object around the control rod one Injection system of an internal combustion engine.
Es zeigtIt shows
Fig. 1 Meßvorrichtung, wenn eine Regelstange aus elektrisch gut leitfähigem Material zum Einsatz kommt (z. B. Aluminium). Fig. 1 measuring device when a control rod made of electrically good conductive material is used (e.g. aluminum).
Fig. 2 Position der Regelstange aus Aluminium mit minimaler Ausgangsspannung. Fig. 2 position of the control rod made of aluminum with minimal output voltage.
Fig. 3 Position der Regelstange aus Aluminium mit maximaler Ausgangsspannung. Fig. 3 position of the control rod made of aluminum with maximum output voltage.
Fig. 4 Meßvorrichtung, wenn eine Regelstange aus magnetisch leitfähigem Material zum Einsatz kommt (z. B. Eisen). Fig. 4 measuring device when a control rod made of magnetically conductive material is used (z. B. iron).
Fig. 5 Position der Regelstange aus Eisen mit minimaler Ausgangsspannung. Fig. 5 position of the control rod made of iron with minimal output voltage.
Fig. 6 Position der Regelstange aus Eisen mit maximaler Ausgangsspannung. Fig. 6 position of the control rod made of iron with maximum output voltage.
Fig. 7 Schaltungsanordnung des induktiven Positionsaufnehmers. Fig. 7 circuit arrangement of the inductive position sensor.
In Fig. 1 ist eine Meßvorrichtung gezeigt, wenn die Regelstange 1 aus elektrisch gut leitfähigem Material (z. B. Aluminium) besteht.In Fig. 1, a measuring device is shown when the control rod 1 consists of electrically good conductive material (e.g. aluminum).
Die primäre Spule 2 und die sekundäre Spule 3 befinden sich jeweils auf einem zum Mittelpunkt des kreisförmigen Flußleitmittel 4 gerichteten Mittelschenkel. Die Regelstange 1 befindet sich mit ihrer Längsseite parallel zu den Stirnflächen der Mittelschenkel im Inneren des kreisförmigen Flußleitmittels 4. Die Regelstange 1 besitzt dergestalt eine konusartige Ausformung 5, daß einem Rechteck auf seine kürzere Seite ein Dreieck passend aufgesetzt ist. Die durch die primäre Spule 2 erzeugten Feldlinien werden zu einem Luftspalt in der Mitte der Regelstange 1 geleitet. In Fig. 2 befindet sich die Regelstange 1 in einer Position mit minimaler Ausgangsspannung an der sekundären Spule 3. Der Luftspalt ist vollständig durch die Regelstange 1 abgedeckt. Der Fluß durch die Mittelschenkel des Flußleitmittels 4 wird durch Wirbelströme im leitfähigen Material der Regelstange 1 stark geschwächt. Es wird daher nur eine geringe Spannung in der sekundären Spule 3 induziert.The primary coil 2 and the secondary coil 3 are each located on a center leg directed towards the center of the circular flux guide means 4 . The control rod 1 is located with its long side parallel to the end faces of the middle legs in the interior of the circular flux guide means 4 . The control rod 1 has a conical shape 5 in such a way that a triangle is fitted onto a rectangle on its shorter side. The field lines generated by the primary coil 2 are directed to an air gap in the middle of the control rod 1 . In FIG. 2, the control rod 1 is in a position of minimum output voltage at the secondary coil 3. The air gap is completely covered by control rod 1 . The flow through the middle leg of the flux guide 4 is greatly weakened by eddy currents in the conductive material of the control rod 1 . Therefore, only a low voltage is induced in the secondary coil 3 .
Gemäß Fig. 3 befindet sich die Regelstange 1 in einer Position mit maximaler Ausgangsspannung. Der Luftspalt ist frei von leitfähigem Material. Der Feldlinien können die sekundäre Spule 3 gut erreichen und induzieren eine entsprechend hohe Ausgangsspannung. According to Fig. 3 there is the control rod 1 in a position with maximum output voltage. The air gap is free of conductive material. The field lines can easily reach the secondary coil 3 and induce a correspondingly high output voltage.
Zwischen den beiden Positionen in Fig. 2 und Fig. 3 ergibt sich je nach Position der Regelstange 1 und damit je nach Geometrie der konusartigen Ausformung 5 eine stetige Veränderung der Ausgangsspannung.Between the two positions in Fig. 2 and Fig. 3 is obtained depending on the position of the control rod 1, and thus depending on the geometry of the cone-like projecting portion 5, a continuous change of the output voltage.
Ein minimaler Meßweg ist gegeben, wenn ein Rechteck mit der Länge b vorgesehen ist. Dies entspricht in etwa der Breite des Flußleitmittels.A minimal measuring path is given if a rectangle is included the length b is provided. This corresponds approximately to that Width of the flux guide.
Zur Verlängerung des Meßweges um die Strecke a wird ein Dreieck mit der Höhe a angefügt. Dies erfordert dann die zusätzliche Strecke c, um den Einfluß der Schirmwirkung der Position der maximalen Ausgangsspannung in der gleichen Weise zu verlängern, wie dies durch die Strecke a verursacht wird. Der maximale Meßweg entspricht damit der Strecke a+b.To extend the measuring path by the distance a is a Triangle with height a added. This then requires the additional distance c to the influence of the screen effect the position of the maximum output voltage in the same Extend way as this through the route a is caused. The maximum measuring path corresponds to that Route a + b.
Fig. 4 zeigt eine Meßvorrichtung, wenn die Regelstange 1 aus magnetisch leitfähigem Material (z. B. Eisen) gefertigt ist. Auf dem unteren Steg der beiden U-förmigen Flußleitmittel 4 sitzen die primäre Spule 2 und die sekundäre Spule 3. Die Enden der beiden U-förmigen Flußleitmittel 4 stehen sich gegenüber und sich durch zwei Luftspalte, in denen sich die Regelstange 1 mit der konusartigen Ausformung 5 befindet, unterbrochen. Fig. 4 shows a measuring device when the control rod 1 is made of magnetically conductive material (e.g. iron). The primary coil 2 and the secondary coil 3 are seated on the lower web of the two U-shaped flux guide means 4 . The ends of the two U-shaped flux guide means 4 face each other and are interrupted by two air gaps in which the control rod 1 with the conical shape 5 is located.
Die Bewegung der Regelstange 1 erfolgt in y-Richtung, während eine Bewegung der Regelstange 1 in x-Richtung nur eine minimale Beeinflussung der Ausgangsspannung verursacht.The movement of the control rod 1 takes place in the y direction, while a movement of the control rod 1 in the x direction causes only a minimal influence on the output voltage.
In Fig. 5 befindet sich die Regelstange 1 in einer Position minimaler Ausgangsspannung, die dadurch entsteht, daß zum einen die primären Feldlinien durch die Regelstange 1 direkt, ohne die sekundäre Spule 3 zu passieren, zurückgeleitet werden, zum anderen wirkt das Material der Regelstange 1 als Wirbelstromschild und schwächt die Feldlinien im Luftspalt. In Fig. 5 is the control rod 1 in a position of minimum output voltage, which arises that for a primary field lines by the control rod 1 directly without passing through the secondary coil 3, returned, to the other acts, the material of the control rod 1 as an eddy current shield and weakens the field lines in the air gap.
Fig. 6 erreicht die Ausgangsspannung ein Maximum, da die Regelstange 1 nur einen geringen magnetischen Nebenschluß darstellt, sondern die Ankopplung der sekundären Spule 3 wird noch verbessert durch die Verkürzung des Luftspaltes mittels der magnetischen Leitfähigkeit des Materials der Regelstange 1. Fig. 6 shows the output voltage reaches a maximum, since the control rod 1 represents only a small magnetic shunt, but the coupling of the secondary coil 3 is improved by shortening the air gap by means of the magnetic conductivity of the material of the control rod 1.
Fig. 7 zeigt einen Generator 6, der als Wechselspannungsgenerator ausgebildet ist, an dem über einen konstanten Innenwiderstand 7 die primäre Spule 2 angeschlossen ist. Der Generator 6 erzeugt eine beliebige periodische Wechselspannung (z. B. Sinus-, Dreieck- oder Rechteckspannung) mit konstanter Amplitude oder einen konstanten Strom und damit einen magnetischen Wechselfluß, der über die Regelstange 1, die in Fig. 7 symbolisch dargestellt ist, zu der sekundären Spule 2 geleitet wird. Die Regelstange 1 bewegt sich in Richtung der beiden eingezeichneten Pfeile. Die sekundäre Spule 2 steht in einem Meßwiderstand 8 in Verbindung, an dem das Meßsignal ansteht. Ein an dem Meßwiderstand 8 angeschlossener Verstärker 9 verstärkt das Meßsignal, das durch eine nachgeschaltete Auswerteeinheit (z. B. Gleichrichter) weiterverarbeitet werden kann. Das Meßsignal ist in diesem Fall die am Ausgang des Verstärkers 9 anliegende Spannung UA. Eine Linearisierung des Meßsignals kann in einer nachgeschalteten Meßelektronik erfolgen. FIG. 7 shows a generator 6 which is designed as an AC voltage generator, to which the primary coil 2 is connected via a constant internal resistance 7 . The generator 6 generates any periodic alternating voltage (e.g. sine, triangular or square wave voltage) with a constant amplitude or a constant current and thus a magnetic alternating flux, which is generated via the control rod 1 , which is symbolically shown in FIG. 7 the secondary coil 2 is conducted. The control rod 1 moves in the direction of the two arrows. The secondary coil 2 is connected in a measuring resistor 8 , at which the measuring signal is present. An amplifier 9 connected to the measuring resistor 8 amplifies the measuring signal, which can be further processed by a downstream evaluation unit (e.g. rectifier). In this case, the measurement signal is the voltage U A present at the output of the amplifier 9 . The measuring signal can be linearized in a downstream measuring electronics.
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Owner name: FEV MOTORENTECHNIK GMBH & CO. KG, 52078 AACHEN, DE |
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